Une self ou bobine est un dipôle passif non polarisé constitué d'une à plusieurs spires de fil conducteur. Ces spires peuvent être jointives ou non, en une ou plusieurs couches et être sur un support ou non.
La bobine fonctionne grâce à ses propriétés électromagnétiques. En effet, le courant qui parcourt la bobine génère un champ électromagnétique autour et à l’intérieur des spires. Ce champ constitue la réserve d’énergie de la bobine.
L'inductance d’un composant est sa caractéristique à produire un champ magnétique à travers la section entourée par ce composant lorsque celui-ci est traversé par un courant.
La quantité d’énergie emmagasinée dans une bobine est donnée par :
E : énergie emmagasinée dans la bobine [Joule : J] L : inductance de la bobine [Henry : H] I : courant traversant la bobine [Ampère : A]
Henry :
L'unité SI de l’inductance est le Henry (Jospeh Henry : instruisons-nous). L'inductance d'un circuit est de 1 Henry si un courant parcourant ce circuit en variant uniformément à raison de 1 ampère par seconde produit à ses bornes une force électromotrice de 1 volt. Cette définition est démontrée directement par les lois de Lenz (voir le point 1.2.)
1.2. Lois
Une self répond alors aux lois de Lenz :
- Lorsque l’on fait varier le flux d’induction magnétique qui traverse un circuit fermé conducteur, ce circuit est le siège d’un courant induit. - Le sens de ce courant induit est tel que le flux qu’il produit tend à s’opposer à la variation de flux qui lui donne naissance.
Nous obtenons donc la formule suivante :
En régime sinusoïdal, nous avons les relations suivantes :
Où l'impédance est égale à ;
En régime sinusoïdal, la tension est en avance de 90° sur le courant, c'est-à-dire qu'il faut appliquer une tension aux bornes de la bobine pour qu'il y ait un courant qui la traverse. Cela met en évidence la difficulté qu'a le courant à traverser une bobine.
1.3. Symboles d'une bobine
Voici les différents symboles des selfs dans un schéma.
1.4. Association de bobines
Il peut être intéressant de recourir à un groupement de bobines pour obtenir d'une valeur d'inductance qui n'existe pas dans les valeurs normalisées produites par l'industrie ou pour des raisons de place. Ceci dit, l'association de bobines est peu utilisée.
Association de bobines en série :
U=jLωI, U=U1+U2=jL1ωI+jL2ωI=j(L1+L2)I
Or la courant I est le même donc ;
L=L1+L2
Donc pour n bobines, l'inductance équivalent correspond à la somme de toutes les inductances.
Dans un groupement en série, l’inductance équivalente est la somme des inductances.
Association de bobines en parallèle :
U = jLωI, I = I1+I2 et U = jL1ωI1 = jL2ωI2
Or la tension U est la même donc ;
L = (L1∗L2)/(L1+L2)
Donc pour n bobines :
Dans un groupement en parallèle, l’inductance équivalente est plus petite que la plus petite des inductances du groupement.
Remarque :
Il est important de faire très attention à la disposition des bobines les unes par rapport aux autres car si elles sont proches et dans le même axe, leur influence mutuelle est maximale. Une des solutions est de des disposer à 90° les unes par rapport aux autres, à ce moment là, l’influence mutuelle est minimale. Pour minimiser, l’influence mutuelle on peut également recourir à des blindages.
2. Valeur d'une bobine
La valeur d'une bobine sera toujours donnée en µH. Il existe 2 codes différents pour connaître la valeur d'une bobine. On peut également connaître la valeur d'une bobine grâce à un inductance mètre
2.1. Code des couleurs
La valeur d'une inductance est donnée par les valeurs correspondantes aux couleurs des 2 premiers anneaux, l'anneau suivant est un multiplicateur.
Petit exemple pour comprendre :
Une self de 2mH ± 5% aura un code couleur : rouge, noir, rouge, or
Liens interactifs :
Des applications permettent de calculer directement la valeur d'une bobine en fonction de son code couleur et inversement.
Ce code est basé sur une combinaison entre des chiffres et des lettres. Le code de marquage normalisé des bobines est donné ci-dessous : A noter que la tolérance est donnée par une lettre mais n'est pas toujours présente.
Quelques exemples pour comprendre :
1R0 = 1 µH 332 M = 3300 µH à ± 20 % 111 J = 110 µH à ± 5%
2.3. Inductance mètre
Une autre manière de connaitre la valeur d'une bobine est l'utilisation d'un inductance mètre.
3. Différents types de bobine
3.1. Bobine à air
Une bobine à air est une bobine sans noyau. Elle est composée d'un enroulement de fils
Dans la réalité, le procédé de fabrication d'une bobine engendre des parasites. Le schéma d'une bobine réelle est donc composé d'une résistance série pour tenir compte de la résistance du fil constituant la bobine et d'une capacité en parallèle pour tenir compte du phénomène électrostatique entre les spires et qui change le comportement de la bobine en hautes fréquences.
Comme nous étudions le composant pour des basses fréquences, nous pouvons ne pas tenir compte de la capacité en parallèle. En effet, en basses fréquences, l'impédance est égale à, Zc = 1/jwC, ce qui signifie que lorsque nous sommes en basses fréquences, on peut ne pas tenir compte de la capacité en parallèle.
Nous avons donc une équation différentielle pour définir la relation qu'il existe entre la tension aux bornes de la bobine et l'intensité du courant qui la parcourt.
Lorsque la bobine est soumise brutalement à une tension constante E avec une résistance en série, l'équation différentielle admet pour solution :
Où la constante de temps est :
La démonstration mathématique complète est disponible :
Nous obtenons donc comme courbe de charge du courant i traversant la bobine :
Nous remarquons que le courant ne s'établit pas instantanément dans la bobine, c'est dû à la caractéristique de la bobine à s'opposer aux variations de courant.
Il est important que la résistance série soit la plus petite possible pour avoir le moins de pertes par effet joule. Cette remarque est valable pour toutes les bobines, quelque soit leur type.
3.1.1. Bobine à air à spires jointives une couche
3.1.2. Bobine à air à spires jointives plusieurs couches
Bobine à spires jointives à plusieurs couches de fil de cuivre émaillé, nous avons ici une bobine de 1,10mH. Cette bobine est par exemple utilisée en basses fréquence et pour construire des filtres d’enceintes acoustiques Hi-fi.
Bobine de grande taille à plusieurs couches de spires jointives
Bobine courte à plusieurs couches de spires jointives
3.1.3. Bobine à air à spires non jointives
1) Nous avons une bobine à spires non jointives de fil de cuivre émaillé destinée aux hautes fréquences. 2) Nous avons une bobine à spires non jointives de fil de cuivre argenté qui est traité contre l’oxydation et destinée aux hautes fréquences. 3) Nous avons une bobine à spires non jointives de fil de cuivre argenté qui est traité contre l’oxydation et destinée aux hautes fréquences. 4) Nous avons une bobine à 3/4 spire, également appelé "épingle à cheveux" et une ligne de fil de cuivre argenté qui est traité contre l’oxydation et destinée aux très hautes fréquences. Pour une ligne, l’inductance est d’environ de 1 µH par m.
Pour information : Les hautes fréquences (HF : High Frequency) vont de 3 à 30MHz pour une longueur d'onde de 100 à 10m. Les très hautes fréquences (VHF : Very High Frequency) vont de 30 à 300MHz pour une longueur d'onde de 10 à 1m.
3.2. Bobine à noyau
Une bobine à noyau est composée d’un fil conducteur enroulé autour d’un noyau ferromagnétique. La présence d'un noyau ferromagnétique augmente la valeur de l'inductance de la bobine. Ceci est dû à la perméabilité relative élevée élevée. Les inconvénients de ces bobines à noyau ferromagnétique sont les pertes par hystérésis et par courant de Foucault et la saturation.
Saturation :
Le circuit magnétique d'une bobine avec noyau peut être « saturé » si l'on essaye d'induire un flux supérieur à la valeur limite acceptable par le noyau. Le noyau commence à saturer lorsque le champ et l'induction ne sont plus proportionnels. .
Pertes par hystérésis :
Les pertes par hystérésis sont générées en parcourant un cycle d'hystérésis complet ou partiel. La quantité d'énergie dissipée par cycle d'hystérésis est égale à la surface du cycle, raison pour laquelle, il faut avoir un noyau ferromagnétique dont le cycle d'hystérésis possède une petite surface et donc par conséquent avec un faible champ coercitif et une faible induction rémanente.
Les pertes par hystérésis sont proportionnels à : - la surface du cycle d'hystérésis.- au volume du noyau ferromagnétique.
On peut quantifier les pertes par hystérésis par la formule suivante :
f0 : fréquence de référence [Hz] (généralement 50Hz)
B0 : champ d’induction magnétique de référence [T] (1 ou 1,5T)
m : masse du fer [kg]
CH : coefficient dépendant du matériau [W/kg]
Nous remarquons que les pertes par hystérésis sont proportionnelles au carré du champ d'induction magnétique et à la fréquence.
Pertes par courant de Foucault :
Les courants de Foucault (aussi appelés Eddy current) sont des courants induits qui prennent naissance dans un conducteur en mouvement dans un champ magnétique constant ou encore dans un solide métallique immobile soumis à une variation de champ magnétique.
Les pertes par courants de Foucault sont provoquées par effet joule.
La formule permettant de quantifier les pertes par courant de Foucault :
Avec :
σ= conductivité du métal [S/m] ω = 2πf = la pulsation [Hz]
B = champ magnétique appliqué [T] Vcyl = πa²h = le volume du cylindre [m³]
a = rayon du cylindre [m]
Nous remarquons que les pertes par courant de Foucault sont proportionnelles au carré du champ magnétique B ainsi qu'au carré de sa fréquence.
Lorsqu'il y a un noyau, le schéma équivalent d'une bobine devient le suivant.
Avec :
C : capacité parasite qui devient significative en hautes fréquences. R1 : résistance du fil et des connexions. R2 : résistance représentant les pertes fer ou les pertes ferrites. L1 : inductance représentant le flux de fuite. L2 : inductance idéale de la bobine.
Il existe des bobines avec des noyaux de fer ou des noyaux de ferrite. La bobine avec un noyau de fer est formée d’un empilement de tôles minces isolées entre elles par une couche de vernis, cela permet de diminuer les pertes par courants de Foucault. Les bobines avec noyau de fer sont fort utilisées en basses fréquences. La bobine avec un noyau de ferrite permet d'obtenir une bobine avec des faibles pertes par hystérésis et par courants de Foucault.
Bobines à noyau de fer :
Bobine à noyau de ferrite :
La présence d'un noyau permet donc d'augmenter la valeur de l'inductance de la bobine.
3.3. Liste des bobines
3.3.1. Bobine toroïdale
Une bobine toroïdale est un bobinage monté sur un tore. Ces bobines ont des inductances qui vont de 8µH jusqu'à 200μH. L'avantage des bobines toriques réside dans le fait que les lignes de champ magnétique forment des boucles fermées à l'intérieur du noyau. En raison de la symétrie d'un tore, cette forme permet qu'il n'y ait qu'un minimum de flux magnétique qui puisse s'échapper à l'extérieur du noyau (ce flux est appelé flux de fuite). De cette manière, les bobines toriques rayonnent moins et émettent moins d'interférences électromagnétiques.
Dans la vidéo ci-dessous, nous pouvons voir le champ magnétique dans une bobine toroïdale ainsi que le sens du courant.
Il existe 3 méthodes pour fabriquer les bobines toroïdales, une méthode manuelle, artisanale et une méthode industrielle. Méthode artisanale : La méthode artisanale consiste simplement à enrouler manuellement un fil de cuivre autour d'un tore. Il faut que les spires soient enroulées de manière jointives et serrées. Cette méthode présente les inconvénients majeurs de ne pas être précis pour obtenir une valeur d'inductance et ne permet pas de reproduire le composant en grande quantité.
Méthode industrielle 1 :
L'idée est de réaliser un bobinage linéaire en enroulant autour d’un mandrin cylindrique un fil conducteur. Il faut ouvrir le circuit magnétique d'ou la présence d'un entrefer. L'ensemble est chauffé le rendant plus souple et permet de refermer le circuit. On laisse ensuite le tout refroidir.
Ce procédé présente les inconvénients suivants :
- La présence d'un entrefer et donc des pertes par effet joule.
- Les contraintes que subit le fil conducteur, il faut donc un fil plus solide et donc par conséquent plus épais, ce qui a pour conséquence de diminuer le nombre d'enroulements possibles et donc de diminuer l'inductance de la bobine.
- Ce procédé ne permet pas non plus d'obtenir des inductances précises.
Méthode industrielle 2 :
La vidéo se passe de commentaires, l'avantage de cette méthode est l'absence d'entrefer. Ce procédé de fabrication permet d'être plus précis dans les inductances obtenues.
3.3.2. Bobine ajustable
La bobine variable est une bobine dont on peut faire varier l’inductance. Il existe divers dispositifs de réglage, en général, au moyen d’un noyau en ferrite (ou autres) inséré dans la bobine et que l’on peut visser ou dévisser et qui change la valeur de l’inductance. Il existe aussi des bobines sur roulette dont le contact est mobile le long de la bobine (assez rare).
Comme nous l'avons déjà vu précédemment, la présence d'un noyau augmente la valeur de l'inductance. Il faut donc parler des pots ferrites. Sur la figure ci-dessous, nous pouvons voir la constitutions d'un pot ferrite. En faisant varier la position du noyau, la valeur de l'inductance change.
3.3.3. Bobine SMD
La bobine SMD (Surface Mounted Device) est aussi appelée bobine CMS (Composant Monté en Surface). Ce sont des composants miniatures, sans f
ils de connexion et directement soudés sur le circuit imprimé. Ces bobines permettent une intégration importante (gain de place) et sont recommandées dans le domaine des (très) hautes fréquences du fait d’une inductance très faible (dimensions réduites sans fils de connexion). L'inconvénient de ces composants est qu'il est difficile de les manipuler et de les souder sans un matériel adéquat. Voici un tableau reprenant le code du boitier du composant en fonction de sa taille :
Exemple de fabrication d'une bobine smd :
Il existe des bobines smd ayant une valeur d'inductance pouvant descendre jusqu'à 0,2nH (par exemple : 36401E0N2ATDF ) et pouvant avoir des inductances maximale de l'ordre de 1500µH pour des bobines SMD de puissance (par exemple : SDC3D14S ).
3.3.4. Bobine imprimée
La bobine imprimée est réalisée par enroulement en spirale d'une piste de circuit imprimé. Une telle solution est intéressante à plus d'un titre car elle présente en effet les avantages suivants :
- Une excellente reproductibilité de la self puisqu'elle est gravée en même temps que le circuit en respectant un dessin très précis.
- Une insensibilité aux vibrations, ce qui n’est pas le cas des self à air notamment.
- Une diminution du nombre de composants à stocker et à souder, ce qui est très intéressant pour les fabrications en grande quantité.
Il existe 2 familles de bobine imprimée, les bobines rondes et les bobines carrées.
Pour la bobine ronde :
Pour la bobine carrée :
Ces formules sont correctes pour une largeur des conducteurs comprise entre 0,06mm et 0,1mm et une épaisseur de cuivre de 35µm.
Il existe aussi la possibilité de placer un noyau autour de la bobine imprimée. Cela permet de protéger les autres composants se trouvant sur le pcb contre les perturbations électromagnétiques que génère la bobine imprimée.
Les bobines imprimées sont principalement utilisées en hautes fréquences.
3.3.5. Bobine d'arrêt ou CHOKE
La bobine d'arrêt (également appelée self de choc) est utilisée pour affaiblir le plus fortement possible les signaux à haute fréquence tout en laissant passer les signaux à fréquence plus basse et le courant continu. L'impédance d'une bobine augmente lorsque la fréquence augmente, de cette manière là, la bobine va rendre le passage des signaux en haute fréquence plus difficile.
A : Self en nid d'abeille
B : Self à spires jointives sur une résistance
C : Self à spires jointives sur un bâtonnet de ferrite
D : Self de choc VK200
E : Self sur un tore de ferrite
F : Self sur une perle de ferrite
Les courbes représentent l'évolution de l'impédance de différentes bobines en fonction de la fréquence. Nous remarquons que lorsque la fréquence augmente, l'impédance augmente également et devient très importante et bloque les signaux. Pour les fréquences très élevées, l'impédance chute, c'est dû à la capacité parasite de la bobine qui n'est plus négligeable (voir le schéma équivalent d'une bobine).
Pour information, la bobine d'arrêt VK200 a une inductance de 10µH (VK200).
3.3.6. Bobine moulée
Les bobines moulées sont des bobines miniatures radiales ayant un noyau en ferrite dans un boîtier en plastique. Elles sont utilisées dans le découplage. Le boîtier utilisé va influencer la valeur de l'inductance de la bobine. Ces bobines ont des inductances pouvant aller de 100 nH jusqu'à 120 mH.
Boîtier : 7BS
Dimensions : 7x7 mm et pas de 5mm.
Inductance : 330 nH à 560 nH Lien
Boîtier : 7BA
Dimensions : 11,5x6x9,5 mm et pas de 5mm.
Inductance : 2,7µH à 390µH Lien
Boîtier : 8RB
Dimensions : Ø 8 x 11.2 mm et pas de 5 mm
Inductance : 10µH à 100mH Lien
Note importante :
Dans un montage, on remarque les bobines qui sont représentées sur le schéma mais il ne faut pas perdre de vue celles qui ne sont pas considérées comme des composants, c'est-à-dire les connexions. Il peut s'agir des queues de composants, des fils de câblages ou des pistes de circuit imprimé. En dessous de 1MHz, des connexions de quelques centimètres ne sont pas gênantes alors qu'à 10 GHz, une connexion d'un demi-millimètre change nettement les réglages d'un montage.
Références
Physics for scientists and engineers with modern physics,Jewet/serway Trilogy of magnetics, Würth Elektronik Manuel de génie électrique, Dunod Technologie des composants électronique "Tome 3", R. Besson (éditions Radio)
Table of Contents
Hendrickx Edouard M13
1. Généralités
1.1. Définitions
Bobine :
Une self ou bobine est un dipôle passif non polarisé constitué d'une à plusieurs spires de fil conducteur. Ces spires peuvent être jointives ou non, en une ou plusieurs couches et être sur un support ou non.
La bobine fonctionne grâce à ses propriétés électromagnétiques. En effet, le courant qui parcourt la bobine génère un champ électromagnétique autour et à l’intérieur des spires. Ce champ constitue la réserve d’énergie de la bobine.
L'inductance d’un composant est sa caractéristique à produire un champ magnétique à travers la section entourée par ce composant lorsque celui-ci est traversé par un courant.
La quantité d’énergie emmagasinée dans une bobine est donnée par :
E : énergie emmagasinée dans la bobine [Joule : J]
L : inductance de la bobine [Henry : H]
I : courant traversant la bobine [Ampère : A]
Henry :
L'unité SI de l’inductance est le Henry (Jospeh Henry : instruisons-nous). L'inductance d'un circuit est de 1 Henry si un courant parcourant ce circuit en variant uniformément à raison de 1 ampère par seconde produit à ses bornes une force électromotrice de 1 volt. Cette définition est démontrée directement par les lois de Lenz (voir le point 1.2.)
1.2. Lois
Une self répond alors aux lois de Lenz :
- Lorsque l’on fait varier le flux d’induction magnétique qui traverse un circuit fermé conducteur, ce circuit est le siège d’un courant induit.
- Le sens de ce courant induit est tel que le flux qu’il produit tend à s’opposer à la variation de flux qui lui donne naissance.
Nous obtenons donc la formule suivante :
En régime sinusoïdal, nous avons les relations suivantes :
Où l'impédance est égale à ;
En régime sinusoïdal, la tension est en avance de 90° sur le courant, c'est-à-dire qu'il faut appliquer une tension aux bornes de la bobine pour qu'il y ait un courant qui la traverse. Cela met en évidence la difficulté qu'a le courant à traverser une bobine.
1.3. Symboles d'une bobine
Voici les différents symboles des selfs dans un schéma.
1.4. Association de bobines
Il peut être intéressant de recourir à un groupement de bobines pour obtenir d'une valeur d'inductance qui n'existe pas dans les valeurs normalisées produites par l'industrie ou pour des raisons de place. Ceci dit, l'association de bobines est peu utilisée.
Association de bobines en série :
U=jLωI, U=U1+U2=jL1ωI+jL2ωI=j(L1+L2)I
Or la courant I est le même donc ;
L=L1+L2
Donc pour n bobines, l'inductance équivalent correspond à la somme de toutes les inductances.
Dans un groupement en série, l’inductance équivalente est la somme des inductances.
Association de bobines en parallèle :
Or la tension U est la même donc ;
L = (L1∗L2)/(L1+L2)
Donc pour n bobines :
Dans un groupement en parallèle, l’inductance équivalente est plus petite que la plus petite des inductances du groupement.
Remarque :
Il est important de faire très attention à la disposition des bobines les unes par rapport aux autres car si elles sont proches et dans le même axe, leur influence mutuelle est maximale. Une des solutions est de des disposer à 90° les unes par rapport aux autres, à ce moment là, l’influence mutuelle est minimale. Pour minimiser, l’influence mutuelle on peut également recourir à des blindages.
2. Valeur d'une bobine
La valeur d'une bobine sera toujours donnée en µH. Il existe 2 codes différents pour connaître la valeur d'une bobine. On peut également connaître la valeur d'une bobine grâce à un inductance mètre
2.1. Code des couleurs
La valeur d'une inductance est donnée par les valeurs correspondantes aux couleurs des 2 premiers anneaux, l'anneau suivant est un multiplicateur.
Petit exemple pour comprendre :
Une self de 2mH ± 5% aura un code couleur : rouge, noir, rouge, or
Liens interactifs :
Des applications permettent de calculer directement la valeur d'une bobine en fonction de son code couleur et inversement.
Couleur vers la valeur
Valeur vers la couleur
2.2. Code de marquage
Ce code est basé sur une combinaison entre des chiffres et des lettres. Le code de marquage normalisé des bobines est donné ci-dessous :
A noter que la tolérance est donnée par une lettre mais n'est pas toujours présente.
1R0 = 1 µH
332 M = 3300 µH à ± 20 %
111 J = 110 µH à ± 5%
2.3. Inductance mètre
Une autre manière de connaitre la valeur d'une bobine est l'utilisation d'un inductance mètre.
3. Différents types de bobine
3.1. Bobine à air
Une bobine à air est une bobine sans noyau. Elle est composée d'un enroulement de fils
Dans la réalité, le procédé de fabrication d'une bobine engendre des parasites. Le schéma d'une bobine réelle est donc composé d'une résistance série pour tenir compte de la résistance du fil constituant la bobine et d'une capacité en parallèle pour tenir compte du phénomène électrostatique entre les spires et qui change le comportement de la bobine en hautes fréquences.
Comme nous étudions le composant pour des basses fréquences, nous pouvons ne pas tenir compte de la capacité en parallèle. En effet, en basses fréquences, l'impédance est égale à, Zc = 1/jwC, ce qui signifie que lorsque nous sommes en basses fréquences, on peut ne pas tenir compte de la capacité en parallèle.
Nous avons donc une équation différentielle pour définir la relation qu'il existe entre la tension aux bornes de la bobine et l'intensité du courant qui la parcourt.
Lorsque la bobine est soumise brutalement à une tension constante E avec une résistance en série, l'équation différentielle admet pour solution :
Où la constante de temps est :
La démonstration mathématique complète est disponible :
Nous obtenons donc comme courbe de charge du courant i traversant la bobine :
Nous remarquons que le courant ne s'établit pas instantanément dans la bobine, c'est dû à la caractéristique de la bobine à s'opposer aux variations de courant.
Il est important que la résistance série soit la plus petite possible pour avoir le moins de pertes par effet joule. Cette remarque est valable pour toutes les bobines, quelque soit leur type.
3.1.1. Bobine à air à spires jointives une couche
3.1.2. Bobine à air à spires jointives plusieurs couches
Bobine à spires jointives à plusieurs couches de fil de cuivre émaillé, nous avons ici une bobine de 1,10mH.
Cette bobine est par exemple utilisée en basses fréquence et pour construire des filtres d’enceintes acoustiques Hi-fi.
Bobine de grande taille à plusieurs couches de spires jointives
Bobine courte à plusieurs couches de spires jointives
3.1.3. Bobine à air à spires non jointives
1) Nous avons une bobine à spires non jointives de fil de cuivre émaillé destinée aux hautes fréquences.
2) Nous avons une bobine à spires non jointives de fil de cuivre argenté qui est traité contre l’oxydation et destinée aux hautes fréquences.
3) Nous avons une bobine à spires non jointives de fil de cuivre argenté qui est traité contre l’oxydation et destinée aux hautes fréquences.
4) Nous avons une bobine à 3/4 spire, également appelé "épingle à cheveux" et une ligne de fil de cuivre argenté qui est traité contre l’oxydation et destinée aux très hautes fréquences. Pour une ligne, l’inductance est d’environ de 1 µH par m.
Pour information :
Les hautes fréquences (HF : High Frequency) vont de 3 à 30MHz pour une longueur d'onde de 100 à 10m.
Les très hautes fréquences (VHF : Very High Frequency) vont de 30 à 300MHz pour une longueur d'onde de 10 à 1m.
3.2. Bobine à noyau
Une bobine à noyau est composée d’un fil conducteur enroulé autour d’un noyau ferromagnétique. La présence d'un noyau ferromagnétique augmente la valeur de l'inductance de la bobine. Ceci est dû à la perméabilité relative élevée élevée. Les inconvénients de ces bobines à noyau ferromagnétique sont les pertes par hystérésis et par courant de Foucault et la saturation.
Saturation :
Le circuit magnétique d'une bobine avec noyau peut être « saturé » si l'on essaye d'induire un flux supérieur à la valeur limite acceptable par le noyau. Le noyau commence à saturer lorsque le champ et l'induction ne sont plus proportionnels.
.
Pertes par hystérésis :
Les pertes par hystérésis sont générées en parcourant un cycle d'hystérésis complet ou partiel. La quantité d'énergie dissipée par cycle d'hystérésis est égale à la surface du cycle, raison pour laquelle, il faut avoir un noyau ferromagnétique dont le cycle d'hystérésis possède une petite surface et donc par conséquent avec un faible champ coercitif et une faible induction rémanente.
Les pertes par hystérésis sont proportionnels à :
- la surface du cycle d'hystérésis.- au volume du noyau ferromagnétique.
On peut quantifier les pertes par hystérésis par la formule suivante :
f0 : fréquence de référence [Hz] (généralement 50Hz)
B0 : champ d’induction magnétique de référence [T] (1 ou 1,5T)
m : masse du fer [kg]
CH : coefficient dépendant du matériau [W/kg]
Nous remarquons que les pertes par hystérésis sont proportionnelles au carré du champ d'induction magnétique et à la fréquence.
Pertes par courant de Foucault :
Les courants de Foucault (aussi appelés Eddy current) sont des courants induits qui prennent naissance dans un conducteur en mouvement dans un champ magnétique constant ou encore dans un solide métallique immobile soumis à une variation de champ magnétique.
Les pertes par courants de Foucault sont provoquées par effet joule.
La formule permettant de quantifier les pertes par courant de Foucault :
Avec :
σ= conductivité du métal [S/m]
ω = 2πf = la pulsation [Hz]
B = champ magnétique appliqué [T]
Vcyl = πa²h = le volume du cylindre [m³]
a = rayon du cylindre [m]
Nous remarquons que les pertes par courant de Foucault sont proportionnelles au carré du champ magnétique B ainsi qu'au carré de sa fréquence.
Lorsqu'il y a un noyau, le schéma équivalent d'une bobine devient le suivant.
C : capacité parasite qui devient significative en hautes fréquences.
R1 : résistance du fil et des connexions.
R2 : résistance représentant les pertes fer ou les pertes ferrites.
L1 : inductance représentant le flux de fuite.
L2 : inductance idéale de la bobine.
Il existe des bobines avec des noyaux de fer ou des noyaux de ferrite. La bobine avec un noyau de fer est formée d’un empilement de tôles minces isolées entre elles par une couche de vernis, cela permet de diminuer les pertes par courants de Foucault. Les bobines avec noyau de fer sont fort utilisées en basses fréquences. La bobine avec un noyau de ferrite permet d'obtenir une bobine avec des faibles pertes par hystérésis et par courants de Foucault.
Bobines à noyau de fer :
La présence d'un noyau permet donc d'augmenter la valeur de l'inductance de la bobine.
3.3. Liste des bobines
3.3.1. Bobine toroïdale
Une bobine toroïdale est un bobinage monté sur un tore. Ces bobines ont des inductances qui vont de 8µH jusqu'à 200μH. L'avantage des bobines toriques réside dans le fait que les lignes de champ magnétique forment des boucles fermées à l'intérieur du noyau. En raison de la symétrie d'un tore, cette forme permet qu'il n'y ait qu'un minimum de flux magnétique qui puisse s'échapper à l'extérieur du noyau (ce flux est appelé flux de fuite). De cette manière, les bobines toriques rayonnent moins et émettent moins d'interférences électromagnétiques.
Dans la vidéo ci-dessous, nous pouvons voir le champ magnétique dans une bobine toroïdale ainsi que le sens du courant.
Il existe 3 méthodes pour fabriquer les bobines toroïdales, une méthode manuelle, artisanale et une méthode industrielle.
Méthode artisanale :
La méthode artisanale consiste simplement à enrouler manuellement un fil de cuivre autour d'un tore. Il faut que les spires soient enroulées de manière jointives et serrées. Cette méthode présente les inconvénients majeurs de ne pas être précis pour obtenir une valeur d'inductance et ne permet pas de reproduire le composant en grande quantité.
Méthode industrielle 1 :
L'idée est de réaliser un bobinage linéaire en enroulant autour d’un mandrin cylindrique un fil conducteur. Il faut ouvrir le circuit magnétique d'ou la présence d'un entrefer. L'ensemble est chauffé le rendant plus souple et permet de refermer le circuit. On laisse ensuite le tout refroidir.
Ce procédé présente les inconvénients suivants :
- La présence d'un entrefer et donc des pertes par effet joule.
- Les contraintes que subit le fil conducteur, il faut donc un fil plus solide et donc par conséquent plus épais, ce qui a pour conséquence de diminuer le nombre d'enroulements possibles et donc de diminuer l'inductance de la bobine.
- Ce procédé ne permet pas non plus d'obtenir des inductances précises.
Méthode industrielle 2 :
La vidéo se passe de commentaires, l'avantage de cette méthode est l'absence d'entrefer. Ce procédé de fabrication permet d'être plus précis dans les inductances obtenues.
3.3.2. Bobine ajustable
La bobine variable est une bobine dont on peut faire varier l’inductance. Il existe divers dispositifs de réglage, en général, au moyen d’un noyau en ferrite (ou autres) inséré dans la bobine et que l’on peut visser ou dévisser et qui change la valeur de l’inductance. Il existe aussi des bobines sur roulette dont le contact est mobile le long de la bobine (assez rare).
Comme nous l'avons déjà vu précédemment, la présence d'un noyau augmente la valeur de l'inductance. Il faut donc parler des pots ferrites. Sur la figure ci-dessous, nous pouvons voir la constitutions d'un pot ferrite. En faisant varier la position du noyau, la valeur de l'inductance change.
3.3.3. Bobine SMD
La bobine SMD (Surface Mounted Device) est aussi appelée bobine CMS (Composant Monté en Surface). Ce sont des composants miniatures, sans f
ils de connexion et directement soudés sur le circuit imprimé. Ces bobines permettent une intégration importante (gain de place) et sont recommandées dans le domaine des (très) hautes fréquences du fait d’une inductance très faible (dimensions réduites sans fils de connexion). L'inconvénient de ces composants est qu'il est difficile de les manipuler et de les souder sans un matériel adéquat.
Voici un tableau reprenant le code du boitier du composant en fonction de sa taille :
Exemple de fabrication d'une bobine smd :
3.3.4. Bobine imprimée
La bobine imprimée est réalisée par enroulement en spirale d'une piste de circuit imprimé. Une telle solution est intéressante à plus d'un titre car elle présente en effet les avantages suivants :
- Une excellente reproductibilité de la self puisqu'elle est gravée en même temps que le circuit en respectant un dessin très précis.
- Une insensibilité aux vibrations, ce qui n’est pas le cas des self à air notamment.
- Une diminution du nombre de composants à stocker et à souder, ce qui est très intéressant pour les fabrications en grande quantité.
Il existe 2 familles de bobine imprimée, les bobines rondes et les bobines carrées.
Pour la bobine ronde :
Pour la bobine carrée :
Ces formules sont correctes pour une largeur des conducteurs comprise entre 0,06mm et 0,1mm et une épaisseur de cuivre de 35µm.
Il existe aussi la possibilité de placer un noyau autour de la bobine imprimée. Cela permet de protéger les autres composants se trouvant sur le pcb contre les perturbations électromagnétiques que génère la bobine imprimée.
Les bobines imprimées sont principalement utilisées en hautes fréquences.
3.3.5. Bobine d'arrêt ou CHOKE
La bobine d'arrêt (également appelée self de choc) est utilisée pour affaiblir le plus fortement possible les signaux à haute fréquence tout en laissant passer les signaux à fréquence plus basse et le courant continu. L'impédance d'une bobine augmente lorsque la fréquence augmente, de cette manière là, la bobine va rendre le passage des signaux en haute fréquence plus difficile.
A : Self en nid d'abeille
B : Self à spires jointives sur une résistance
C : Self à spires jointives sur un bâtonnet de ferrite
D : Self de choc VK200
E : Self sur un tore de ferrite
F : Self sur une perle de ferrite
Les courbes représentent l'évolution de l'impédance de différentes bobines en fonction de la fréquence. Nous remarquons que lorsque la fréquence augmente, l'impédance augmente également et devient très importante et bloque les signaux. Pour les fréquences très élevées, l'impédance chute, c'est dû à la capacité parasite de la bobine qui n'est plus négligeable (voir le schéma équivalent d'une bobine).
Pour information, la bobine d'arrêt VK200 a une inductance de 10µH (VK200).
3.3.6. Bobine moulée
Les bobines moulées sont des bobines miniatures radiales ayant un noyau en ferrite dans un boîtier en plastique. Elles sont utilisées dans le découplage. Le boîtier utilisé va influencer la valeur de l'inductance de la bobine. Ces bobines ont des inductances pouvant aller de 100 nH jusqu'à 120 mH.
Dimensions : 7x7 mm et pas de 5mm.
Inductance : 330 nH à 560 nH
Lien
Dimensions : 11,5x6x9,5 mm et pas de 5mm.
Inductance : 2,7µH à 390µH
Lien
Dimensions : Ø 8 x 11.2 mm et pas de 5 mm
Inductance : 10µH à 100mH
Lien
Note importante :
Dans un montage, on remarque les bobines qui sont représentées sur le schéma mais il ne faut pas perdre de vue celles qui ne sont pas considérées comme des composants, c'est-à-dire les connexions. Il peut s'agir des queues de composants, des fils de câblages ou des pistes de circuit imprimé. En dessous de 1MHz, des connexions de quelques centimètres ne sont pas gênantes alors qu'à 10 GHz, une connexion d'un demi-millimètre change nettement les réglages d'un montage.
Références
Physics for scientists and engineers with modern physics, Jewet/serway
Trilogy of magnetics, Würth Elektronik
Manuel de génie électrique, Dunod
Technologie des composants électronique "Tome 3", R. Besson (éditions Radio)
http://f6kgl.f5kff.free.fr/annexe%20cours_radio.pdf
http://nononux.free.fr/index.php?page=elec-brico-outils#!elec-brico-outil-code-couleur-inductance
http://users.telenet.be/h-consult/topComponent.htm
http://fr.openclassrooms.com/sciences/cours/l-electronique-de-zero/la-bobine
http://www.lyrfac.com/soutiens/knbase/pdf/bobine%20(electricite).pdf
http://www.surprises.ch/HT/annexes/pertes.pdf
http://eskimon.fr/wp-content/uploads/tuto/407569.png
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http://www.ulb.ac.be/polytech/genelec/webaide/NOTIONS/Mag/PHyst.htm
http://www.donbosco-tournai.be/expo-db/www/CDEXPO/Electricite_fichiers/Hysteresis.pdf
http://www.iai.heig-vd.ch/fr-ch/Enseignement/Supports/PHY2/Courants_de_Foucault.pdf
http://www.technologuepro.com/cours-electrotechnique/Bobine-a-noyau-de-fer.pdf
http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_self.html
https://tel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/503039/filename/These_Edouard_Bomme.pdf
http://f5zv.pagesperso-orange.fr/
http://octopart.com/